基于养分丰缺诊断和主成分分析法对茶园土壤肥力质量的评价

陈清华　罗鸿　胡双玲　张强　向俊　崔清梅　何远军　周洋　马会杰

摘要：为掌握恩施市茶园土壤肥力的水平，明确茶园土壤养分丰缺状况和土壤肥力质量情况，以恩施市4个主要产茶乡镇的31个具有代表性行政村的茶园为调查对象，采集0～20 cm的土壤测定pH值、有机质含量、全氮含量、大量元素（磷与钾）有效态含量、中量元素（钙、镁、硫）有效态含量、微量元素（铁、锰、铜、锌）有效态含量共12项指标，基于主成分分析法，定量评价恩施市茶园土壤肥力质量。恩施市茶园土壤全氮含量和微量元素有效铁含量充足，全部达到Ⅰ级茶园要求，分别为1.39～2.73 g/kg、135.05～514.00 mg/kg；但pH值和有机质含量处于Ⅱ级茶园土壤水平的占比较大，pH值为3.78～5.79，有机质含量为10.13～27.56 g/kg；中量元素镁含量与微量元素锰、铜的含量适宜，但大量元素钾和中量元素硫的有效态含量偏低，分别为51.06、7.62 mg/kg。恩施市茶园土壤综合肥力指标（IFI）在0.273～0.713之间，平均值为0.444，有74.19%分布在中等水平（0.25≤IFI<0.50），IFI与pH值、全氮含量、有机质含量以及有效态钙、钾、镁、锌的含量共7项指标呈极显著正相关性（P<0.01），与有效态锰、磷的含量共2项指标呈显著正相关性（P<0.05）。因此，恩施市茶园0～20 cm 土层的土壤肥力质量为中等水平，在茶园管理中应注意改善pH值，加大有机肥的施入，合理增施硫钾肥，适当补充镁、铜、锰肥。

关键词：茶园；土壤肥力；主成分分析；综合评价；养分丰缺诊断

中图分类号：S571.106文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）09-0271-07

土壤养分是植物生长发育的物质基础［1］，是土壤肥力的重要组成部分。茶叶是以叶为输出产品，对养分的需求高［2］，因此土壤养分含量的高低直接影响茶园的产量、品质，以及茶企或茶农的收益。据统计，2021年我国茶园面积达到了326.41万hm2，较上年增加了3.31%［3］。诸多学者对我国四大茶区的土壤肥力进行了多年的调查与评价，将茶园土壤肥力分为3级的标准［4］，明确了各个指标的丰缺范围［5］。刘娟等调查了勐海县茶园土壤养分状况，发现该县大部分茶园的土壤肥力达到了Ⅰ级和Ⅱ级标准［6］。陈迪文等调查了紫金县茶园土壤养分，指出该县茶园土壤养分整体上处于中等偏上水平，但空间分布不均匀，且差异较大［7］。万人源等分析了昌宁县茶园土壤养分情况，结果显示，pH值、有机质都达到了Ⅰ级土壤水平，且土壤氮含量丰富，全钾、全磷的含量处于中上水平，但速效钾含量偏低［8］。王霆等对东阳市的土壤养分状况进行调查和分析，发现同一土壤类型的养分含量与海拔高度无关［9］。吴志丹等调查了安溪县的不同土层的氮素情况，结果表明，耕作层的氮素含量处于中上水平，犁底层则处于中下水平［10］。通过对茶园土壤养分的调查针对性地提出了茶园施肥建议和措施，并对各个养分指标采取主成分分析法［11］、聚类分析法［12］、地统计学法［13］、模糊数学分析法［14］、指数和法［15］，对该地区茶园土壤进行评价，为茶农、茶企、市场主体乃至主管部门提出合理的施肥方案。恩施市位于湖北省西南部、武陵山北部、清江中下游，是恩施玉露的发源地。属于中亚热带季风型山地湿润气候，且气候随着地形的垂直变化而变化，雨水充沛，气候适应，非常适宜种植茶。近来年，茶产业逐步发展成恩施市主要的地方经济支柱产业，2021年全市种植茶园面积2.58万hm2，产值26.2亿元，但是对该市的土壤养分调查和土壤肥力评价较少。本研究对该市4个主产乡镇的31个茶园进行土壤样本的养分状况测定与分析，应用主成分分析法评价土壤肥力综合指标值（IFI），从而实现对土壤肥力质量的定量评价，全面了解恩施市茶园土壤养分特征和土壤肥力质量，为茶产业种植端高质量发展提供科学的理论依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

2021年10月，在进入茶园冬管之前，分别在恩施市芭蕉乡、白果乡、屯堡镇、白杨坪镇4个主产乡镇31个茶园样地，按“S”形5～8个点取0～20 cm的土壤混合样，每个样点在行中间位置、偏中位置和靠茶行5 cm处共取3个土钻。样品充分混合后，剔除各种杂物后采用四分法反复取舍，保留1 kg 左右带回实验室。置于通风处自然风干，同时取50 g样品过0.1 mm筛网，分别用于土壤pH值和有机质、全氮、各类有效态养分含量的测定。

1.2 样品检测方法

所采土样均在中国农业科学院茶叶研究所检测中心分析，其中土壤pH值采用电位法测定；全氮含量和土壤有机质含量采用Vario Max CN分析仪测定；土壤中有效养分含量用Mehlich-3联合浸提剂提取，按照土 ∶液为1 g ∶10 mL混合，180 r/min振荡30 min，滤液过0.45 μm滤膜，最后用电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES；Thermo Jarrell Ash Ltd.，USA）测定。

1.3 茶园土壤养分分级标准及依据

结合NY/T 391—2021《绿色食品 产地环境质量》、NY/T 853—2004《茶叶产地环境技术条件》、全国第二次土壤普查3项内容整理了茶园土壤养分评价标准（表1），然后对本研究各茶园土样进行养分丰缺性评价。

1.4 土壤肥力质量评价方法

本研究选取pH值、全氮含量、有机质含量、大量元素（磷、钾）有效态的含量、中量元素（钙、镁、硫）有效态的含量、微量元素（铁、锰、铜、锌）有效态的含量共12项土壤养分指标采用主成分分析法评价土壤肥力质量。

1.4.1 隶属度函数

本研究指标中土壤有机质、有效磷、有效钾、有效锌、全氮等营养指标的含量符合“S”形隶属度函数的特征。恩施茶区地土壤为酸性土，pH值在7.0以下，因此同样适用该函数［16］。计算过程为

式（1）、式（2）中：x为测定的土壤指标观测值；xa、xb、xc、xd为函数转折点取值。结合恩施茶区土壤特性以及相关资料［5］，转折点取值见表2。

1.4.2 茶园土壤肥力单项指标权重及土壤肥力综合指标IFI值计算

对恩施茶区土壤12项评价指标的标准化数据进行检验，然后应用主成分分析法计算出各项土壤指标的公因子方差，以及各个公因子方差占公因子方差总和的比例，将其作为评价指标的权重ai。因此，土壤肥力综合指标的计算公式［17］为

式中：ai为第i个土壤肥力指标的权重系数；n为指标数量；F（i）为土壤指标的隶属度值。

1.5 数据分析

所有数据采用软件SPSS 19.0和Excel 2016进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 土壤pH值及有机质含量情况

恩施市茶园0～20 cm土层的土壤pH值显示，茶园土壤偏酸性（表3），土壤平均pH值为4.45±0.43，其变化范围为3.78～5.79，变异系数为9.60%，表明茶园整体pH值变化不大，整体偏酸，在Ⅱ级茶园要求范围内占比最大，为61.29%，尤其是4.0～4.5之间的分布最多。

0～20 cm土层土壤有机质含量为10.13～27.56 g/kg，平均值为（17.82±4.60） g/kg，变异系数为25.81%，表示不同茶园有机质含量变化差异小，整体含量较低。大部分土壤样本符合Ⅱ级茶园要求，占比45.16%，符合Ⅰ级茶园土壤要求的只有25.81%，剩余29.03%的茶园有机质含量低。

2.2 土壤氮、磷、钾含量情况

茶园土壤0～20 cm土层全氮含量为1.39～2.73 g/kg（表3），平均值为（2.02±0.03） g/kg，变异系数为16.84%，100%的茶园全氮含量符合Ⅰ级茶园的要求，表示恩施市茶园氮含量充足。

茶园土壤0～20 cm土层有效磷含量范围为5.46～399.65 mg/kg，平均值为（100.50±99.52） mg/kg，变异系数为 98.55%，变异系数大，表明不同茶园之间土壤有效磷含量差异较大。其中，有93.55%的茶园有效磷含量符合Ⅰ级茶园要求，而仅有6.45%的茶园在Ⅱ级茶园要求范围内。说明恩施市绝大部分茶园土壤有效磷含量高，而且丰富，不存在土壤缺磷现象。

茶园土壤0～20 cm土层有效钾含量为6.87～186.15 mg/kg，平均含量为（51.06±42.11） mg/kg，变异系数大，只有9.68%符合Ⅰ级茶园要求，符合Ⅱ级茶园要求的仅只有6.45%，83.87%的茶园土壤有效钾在Ⅲ级茶园要求，说明恩施市的茶园土壤有效钾含量严重偏低。

2.3 土壤钙、镁、硫含量情况

本次调查中茶园土壤0～20 cm土层有效钙整体含量水平较高，变化范围为34.33～1445.5 mg/kg，平均值为（266.09±341.42） mg/kg，变异系数为118.16%，表明土壤有效钙含量差异较大，而且其中87.10%的茶园符合Ⅰ级茶园要求，剩余12.09%的茶园都符合Ⅱ级茶园要求，表明绝大部分茶园土壤有效钙满足茶树生长。

茶园土壤0～20 cm土层有效镁含量平均值为（39.51±52.11） mg/kg，变化范围为9.82～288.30 mg/kg，变异系数为131.90%，变异强。表示有效镁在恩施市茶区土壤空间上分布不是很均匀，其中仅有22.58%的茶园符合Ⅰ级茶园要求，Ⅱ级和Ⅲ级茶园占比均为38.71%，恩施市的茶园需要补充镁肥才能满足茶树正常生长。

茶园土壤0～20 cm土层有效硫含量整体偏低，变化范围为3.54～14.66 mg/kg，平均值为（7.62±2.90） mg/kg，变异系数在50%以内，表明恩施市不同茶园土壤之间有效硫含量相差不大，茶园土壤有效硫含量都在Ⅲ级茶园范围内，要及时大量补充硫肥。

2.4 土壤铁、锰、铜、锌含量情况

茶园土壤0～20 cm土层有效铁含量极为丰富，本次调查的所有样本有效铁含量均达到Ⅰ级茶园土壤水平，平均值达到（330.05±112.30） mg/kg，变化范围为135.05～514.00 mg/kg，且变异系数较小。茶园土壤0～20 cm土层有效态锰含量变化范围为4.35～174.00 mg/kg，平均值为（47.07±45.67） mg/kg，变异系数为 97.08%，表明有效锰空间分布不均，各茶区差异较大，但有51.61%的茶园有效态锰含量达到了Ⅰ级茶园要求，35.48%的茶园样本在Ⅲ级茶园要求范围内。茶园土壤0～20 cm土层有效铜含量变化范围为 0.34～5.80 mg/kg，平均值为（1.97±1.37） mg/kg，变异系数为69.39%，空间分布不均，有45.16%的茶园在符合Ⅰ级茶园要求的范围内，但还有32.26%的茶园在Ⅲ级茶园范围内，不能满足茶树生长对铜的需求；0～20 cm土层有效态锌含量变化范围为1.62～11.23 mg/kg，平均值为（3.16±1.73） mg/kg，变异系数为54.69%，

也表明分布不均，但有87.10%的土壤样本在Ⅰ级茶园以上水平，Ⅱ级茶园的土壤样本占比只有12.90%，这也说明有效态锌的含量是能满足茶园生长发育所需的。

2.5 土壤肥力单项指标评价

茶园土壤0～20 cm土壤肥力单项指标情况用雷达图（图1）显示，单一项指标肥力水平越高，离原点越远［18］。 本次调查所有样本中，有机质含量隶属度函数值离原点最远，值最大，为0.711，肥力水平最高；其次是pH值，隶属度函数值为0.673，中量元素有效镁含量离原点最近，隶属度函数值最小（0.226），肥力水平最低。

2.6 土壤肥力综合评价

土壤主成分分析常用于肥力质量的综合评价［19］，是由于主成分分析法能够较好地处理变量间的多重相关性，抽取主成分，并赋予不同主成分不同的得分。本研究对所测定的12个土壤肥力指标的KMO检验结果为0.534，Bartlett球形检验的显著性系数0.00，说明本次所有样本数据适合进行主成分分析。前5个成分特征值均大于1，方差贡献率分别为34.950%、22.197%、13.937%、9.445%、8.563%，累计贡献率达89.091%（表4），完全可以代表原始数据所要表达的信息。因此，用这5个主成分作为综合变量来评价此次土壤肥力状况。第1主成分含有pH值、有效钾含量、有效钙含量、有效镁含量、有效锰含量这5项指标的系数明显大于其他7项指标，主要表达的是这5项指标含量状况；第2主成分有机质含量、全氮含量的系数较大；第3主成分是有效铜含量、有效锌含量；第4主成分是有效铁含量；第5主成分是有效磷含量（表5）。

恩施市茶园耕作层IFI在0.273～0.713之间，平均值为0.444，土壤样本的IFI值有74.19%分布在中等水平（0.25≤IFI<0.5）［8］（图2），只有25.81%分布在较高水平（0.5≤IFI<0.75），高水平（IFI≥0.75）和低水平（IFI<0.25）均没有分布，说明恩施市茶园土壤肥力主要处于中等水平，没有肥力特别高的茶园，也没有特别低的茶园。不同土壤样本之间IFI变异系数为25.07%，表明恩施市茶园总体土壤肥力质量差异为中等，差异不是很大，都需要施入外源肥料或者改良土壤结构，提升土肥肥力。

把IFI值与各养分指标间进行相关性分析（表6），IFI与pH值、全氮含量、有机质含量以及大量元素钾有效态含量、中量元素（钙、镁）有效态含量和微量元素有效锌含量这7项指标呈极显著正相关性（P<0.01），与大量元素有效磷含量和微量元素有效锰含量这2项指标呈显著正相关性（P<0.05），但与中量元素有效硫含量和微量元素（铜、铁）有效态含量这3项指标则没有显著相关性。表明pH值、全氮含量、有机质含量以及大量元素有效钾含量、中量元素（钙、镁）有效态含量和微量元素有效锌含量这7项指标的任意波动都对土壤肥力质量影响极大；大量元素有效磷含量和微量元素有效锰含量这2项指标也对土壤肥力质量影响较大；而中量元素有效硫含量和微量元素（铜、铁）有效态含量这3项指标的波动对土壤肥力质量影响较小。

3 讨论

3.1 茶园土壤pH值与有机质

土壤pH值指土壤的酸碱度，能调节土壤养分中各个营养元素的有效性，pH值不同，土壤的供肥能力也不一样［20］。本调查研究中，土壤耕作层pH值与土壤肥力质量呈极显著相关性，而茶树又适宜在酸性土壤中生长，最适pH值是4.5～5.5［21］。但是根据本次调查，恩施市茶园土壤pH值在最适于茶树生长范围内的较少，只有32.25%，大部分茶园土壤pH值在4.0～4.5之间，大于6.5的土壤样本没有，小于4.0的土壤样本只有2个，而且变异系数低，充分说明恩施市绝大部分茶园耕作层土壤pH值处于Ⅱ级茶园要求范围内，茶园土壤酸化情况较好。因此，在pH值上，恩施市茶园土壤还有很大管控空间。在土壤肥力单项指标中，pH值也排位第二，说明茶园土壤pH值如果上升到Ⅰ级茶园要求，可以有效提高恩施市茶园土壤肥力。

土壤有机质是陆地最大的碳库，是保障土壤健康和粮食安全的基础资源［22］。因此，土壤有机质含量的高低与土壤肥力相关性高。本研究结果也显示，恩施市茶园耕作层土壤有机质含量与土壤肥力呈极显著正相关性，在单项土肥肥力指标评价上排位第一，土壤肥力权重指标上也是排位第一，但是恩施市茶园耕作层土壤有机质含量在Ⅰ级茶园要求范围内的占比并不是很高，而是在Ⅱ级茶园要求范围内稍多点，其次是符合Ⅲ级茶园要求的，说明恩施市茶园整体土壤有机质含量并不是很高。一是可能茶园土壤pH值在4.0～4.5范围内，影响了土壤有机质矿化，改变碳周转过程，减缓有机质分解速率［23］；二是可能外源有机肥施入量少；三是茶园种植年限较长，耕作方式大多单一连作，导致土壤板结，微生物多样性差，有机质含量低。

3.2 茶园土壤大量元素

氮、磷、钾作为土壤中的大量元素，也是植物生长发育的重要生命元素［24］。本次调查研究中，恩施市茶园耕作层土壤全氮含量高，全部在Ⅰ级茶园要求范围内，而且变异系数较低，同样表示恩施市茶园土壤含氮量整体较高，全氮是作为氮的一个库，库充足，供给茶树生长发育也就充足。有效态磷含量有93.55%的样本是符合 Ⅰ 级茶园要求的，但是其变异系数大，反映了恩施市茶园土壤有效态磷含量高，但是空间分布不均匀。有效态钾含量偏低，83.87%的样本处于 Ⅲ 级茶园要求范围内，而钾是大量元素，也是必需元素，因此恩施市的茶园要适量补充钾肥。

3.3 茶园土壤中量元素和微量元素

钙、镁、硫作为土壤养分中的中量元素，是影响茶树生长、茶叶品质的重要矿质元素，钙元素可以促进细胞的伸长和根系的生长，而镁元素是叶绿素的重要组成部分［25-26］，硫元素则参与了氨基酸、蛋白质的合成［27］，因此中量元素对茶树生长发育也至关重要。本研究调查结果显示，恩施市茶园耕作层土壤严重缺硫，有效硫平均含量只有7.62 mg/kg，含量较低，所有样本土壤都处在Ⅲ级茶园要求范围内。微量元素中有效态的钙含量较高，绝大部分茶园土壤含钙丰富，有效态镁在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级茶园分布平均，但是变异系数大，属于超强变异，分布严重不均。因此，恩施市茶园土壤要补充镁肥和硫肥。

恩施市茶园耕作层土壤微量元素含量较好，大部分茶园都符合Ⅰ级茶园要求，尤其是有效态铁含量较高，平均含量达到了330 mg/kg，远远超过了Ⅰ级茶园4.5 mg/kg的要求，因此恩施市茶园是不需要补充铁元素的。而锰、铜、锌肥则可根据茶园长势因地而异适量补充。

3.4 茶园土壤肥力综合指标值

土壤肥力是土壤各项指标值的综合表现［28］，本研究主要以茶园的化学指标为主，采用主成分分析法对恩施市茶园土壤12项指标提取了5个主成分，其方差累计贡献率达到了89.091%，说明利用主成分分析来衡量恩施市茶园土壤肥力是可靠的。通过主成分分析明确了每一项指标的权重值，计算出恩施市茶园土壤肥力IFI值为0.273～0.713，大部分茶园土壤肥力处于中等水平。根据分析，pH值、有机质含量、有效钙含量、有效钾含量、有效镁含量、有效锌含量、全氮含量与IFI呈极显著正相关关系，而pH值、有机质含量在单项指标评价和权重指标值上都排位靠前，恩施市的pH值、有机质含量也处于中等水平，因此与土壤肥力IFI值也相吻合。

4 结论

根据本次调查分析，恩施市茶园土壤0～20 cm土层全氮含量和微量元素有效铁含量充足，全部达到Ⅰ级茶园要求，分别为1.39～2.73 g/kg、135.05～

514.00 mg/kg；大量元素有效磷、中量元素有效钙、微量元素有效锌的含量丰富，分别有93.55%、87.10%、87.10%的茶园达到了Ⅰ级茶园要求，但pH值和有机质含量处于Ⅱ级茶园土壤水平的占比较大，pH值为3.78～5.79，有机质含量为10.13～27.56 g/kg；

中量元素有效镁含量与微量元素有效锰、有效铜的含量适宜，而大量元素有效钾含量只有51.06 mg/kg，

中量元素有效硫含量只有 7.62 mg/kg，均偏低。恩施市茶园土壤IFI在0.273～0.713之间，平均值为0.444，有74.19%分布在中等水平（0.25≤IFI<0.50），与pH值、全氮含量、有机质含量以及大量元素有效钾含量、中量元素（钙、镁）有效态的含量和微量元素有效锌含量这7项指标呈极显著正相关关系，与大量元素有效磷含量和微量元素有效锰含量这2项指标呈显著正相关关系。其中，有机质含量、pH值、有效钾含量是影响土壤肥力的限制性因子，故恩施市茶园土壤0～20 cm土层肥力整体处于中等水平。建议恩施市茶园土壤可以通过改善pH值，加大有机肥施入，合理增施硫、钾肥，适当补充微量元素镁、铜、锰肥，以整体提高茶园土壤肥力。

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收稿日期：2023-07-04

基金项目：国家现代农业产业技术体系建设专项（编号：CARS-19）。

作者简介：陈清华（1987—），女，湖北建始人，硕士，助理研究员，从事茶树栽培与茶园土壤环境质量研究。E-mail：364546602@qq.com。

通信作者：张 强，高级农艺师，主要从事茶树栽培研究。E-mail：289367900@qq.com。